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最新評価技術のご提案
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半導体・電子部品のCAE解析
半導体・エレクトロニクスの三次元実装を、プロセスからデバイス特性まで一貫して解析します
- 【この記事でわかること】
-
- 半導体製造の各工程を横断して解析できるCAE技術
- 成膜プロセスをナノスケールから装置スケールまで解析する方法
- はんだ接合部の疲労寿命を予測する方法
- 解析に必要となるデータ（熱物性・材料物性・S-N線図）
概要
本技術は、三次元実装プロセスにおける複雑な物理現象を可視化し、プロセスからデバイス特性に至るまでを一貫して評価可能なCAEソリューションです。弊社が保有する半導体・エレクトロニクス分野のCAE技術を基盤として、プロセス解析、特性予測、信頼性評価を統合した独自の解析メニューを構築しました。
目的・前提
半導体の微細化限界に伴い、性能向上の手段は三次元実装へと移行しています。一方で、三次元実装では熱・応力・接合信頼性などの課題が複雑化しており、従来の試作中心の開発では対応が困難となっています。このため、製造プロセスから製品特性までを設計段階で予測可能なCAE技術の重要性が高まっています。
本技術では、三次元実装プロセスにおける熱・応力・電気特性などの複合物理現象を統合的に解析可能なCAE技術を構築し、製造プロセスからデバイス信頼性に至るまでを一貫して予測することを目的とします。これにより、設計段階での不具合予測および最適化を可能とし、開発期間短縮、コスト低減、ならびに高信頼性化を実現します。
本技術では、三次元実装プロセスにおける熱・応力・電気特性などの複合物理現象を統合的に解析可能なCAE技術を構築し、製造プロセスからデバイス信頼性に至るまでを一貫して予測することを目的とします。これにより、設計段階での不具合予測および最適化を可能とし、開発期間短縮、コスト低減、ならびに高信頼性化を実現します。
既存の評価手法と課題・限界
従来の評価手法では、各工程ごとの個別評価や試作・測定に依存しており、工程間で連鎖する複雑な現象の因果関係を把握することが困難でした。また、ナノスケールの反応や内部応力など観測が困難な現象は、十分に評価されていませんでした。
新技術の詳細
最近の半導体市場拡大を受け、半導体プロセス、デバイス、腐食解析などに関するCAEの引き合いが増加しています。
弊社はCAE技術を幅広く保有していることから、技術の横展開により、エレクトロニクス三次元実装関連CAEの独自メニューの構築を行いました。
ここでは、構築したCAE技術3つについて、ご紹介いたします。
弊社はCAE技術を幅広く保有していることから、技術の横展開により、エレクトロニクス三次元実装関連CAEの独自メニューの構築を行いました。
ここでは、構築したCAE技術3つについて、ご紹介いたします。
半導体製造プロセスの各工程を横断して解析するCAE技術
半導体製造プロセスでは、各工程における複雑な物理・化学現象が連鎖的に影響し、最終的なデバイス特性や歩留まりを左右します。本CAE技術は、成膜・エッチング・熱処理など各工程を横断して統合的に解析することで、不具合の要因を可視化し、プロセス設計の最適化を支援します。
半導体製造の各工程とCAEの対応
半導体製造工程は、①～ウエハ製造工程、②研磨工程、③酸化処理工程、④成膜工程、⑤露光・現像工程、⑥エッチング工程、⑦洗浄工程、⑧イオン注入・熱処理工程、⑨後工程、⑩特性予測があります。
| ① ウェハ製造工程 | ウェハ製造工程結晶成長時の温度分布、熱応力、融液流動を解析し、高品質な単結晶製造を支援します。 |
|---|---|
| ② 研磨工程 | 研磨工程CMPや研磨時の接触圧力、摩耗量、材料除去量を解析し、平坦化性能を評価します。 |
| ③ 酸化処理工程 | 酸化処理工程熱酸化時の温度分布や酸化膜成長挙動を解析し、膜厚均一性を予測します。 |
| ④ 成膜工程 | 成膜工程CVD・PVD・ALDにおける流れ、熱移動、反応を解析し、成膜品質を評価します。 |
| ⑤ 露光・現像工程 | 露光・現像工程光学特性や電磁場を解析し、露光パターン形成や光学性能を評価します。 |
| ⑥ エッチング工程 | エッチング工程プラズマ挙動や化学反応を解析し、エッチング速度や形状変化を予測します。 |
| ⑦ 洗浄工程 | 洗浄工程洗浄液の流動や乾燥挙動を解析し、異物除去性能や乾燥品質を評価します。 |
| ⑧ イオン注入・熱処理工程 | イオン注入・熱処理工程イオン拡散、熱伝導、応力発生を解析し、材料特性や結晶品質を予測します。 |
| ⑨ 後工程 | 後工程実装・接合・封止時の応力、熱変形、信頼性を解析し、製品寿命を評価します。 |
| ⑩ 特性予測 | 特性予測デバイス内部の電気・熱・光学特性を解析し、製品性能を予測します。 |
成膜プロセスのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション
高度化する成膜プロセスでは、膜質や形状ばらつきの要因が複雑化し、試作による最適化には限界があります。本技術は、ナノスケールの反応から装置スケールの流動・熱までを統合的に解析し、成膜現象の本質理解とプロセス設計の高度化を実現します。
成膜プロセスのマルチスケール解析
使用ソルバー： COMSOL、Matlab、Lamps、Quantum ESPRESSO、Games等
対象寸法：原子レベルの10-9 [m]オーダから、システム全体の数 [m]オーダまで
対象寸法：原子レベルの10-9 [m]オーダから、システム全体の数 [m]オーダまで
はんだ接合部の疲労寿命評価（解析とS-N線図による寿命予測）
解析結果から得た非線形ひずみ範囲を、評価材料のS-N線図に適用することにより、該当部位の寿命を推定することが可能です。
解析モデル
断面観察結果
非線形ひずみ範囲分布と寿命推定
熱サイクルを考慮した熱弾塑性解析により、はんだ接合部に発生する非線形ひずみ範囲（Δεin）を算出し、ひずみが集中する評価部位を特定します。次に、その部位の応力-ひずみ挙動から非線形ひずみ範囲を求め、材料の疲労特性（S-N線図）に適用します。これにより、 はんだ接合部が破断に至るまでの繰返し回数（疲労寿命）を予測します。
まとめ
保有しているCAE技術を幅広く応用し、CAEを用いたエレクトロニクス三次元実装関連の課題に対応可能です。また、CAEのみならず、強度試験、物理解析と連携し、一歩踏み込んだソリューションにも対応可能です。
参考文献
- M. Wunscher et al., J. Cryst. Growth 385 (2014) 100.
- C. S. Lin, COMSOL Conference in Boston (2017).
- T.Yamaue, Theoretical and Applied Mechanics Japan, 56, 451(2008)
執筆者
技術本部 計算科学センター モデルベース解析技術室｜野口 曉（のぐち さとる）
よくある質問
- どのようなデータが必要ですか？
- 実物で使用されている各材料の熱物性（密度、比熱、熱伝導率）、材料物性（ヤング率、ポアソン比、応力-ひずみ曲線）、疲労の寿命評価ではS-N線図等が必要となります。もしお持ちでない場合は、弊社で測定することも可能です。
- 自社で解析をしたいのですが、作成したモデルファイルを頂くことはできますでしょうか？
- 有償となりますが、ご依頼いただいた案件で作成したモデルファイルは提供可能です。
- 解析と試験を組み合わせた評価は可能ですか？
- はい。CAE解析と実機評価・物性測定を組み合わせることで、解析精度の向上や結果の妥当性確認を行います。
- 解析を依頼したいのですが、何を準備すればよいですか？
- CADデータ、図面、仕様書などをお持ちであればご共有ください。情報が揃っていない場合でも、課題や検討したい内容をお聞きし、必要なデータをご提案します。
- どの解析手法を選べばよいか分からないのですが相談できますか？
- はい。お客様の課題に応じて、熱解析、流体解析、構造解析、電磁場解析など最適な解析手法をご提案します。
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